JP3602212B2 - 発光素子用半導体及びその製造方法 - Google Patents
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード，半導体レーザ等の発光素子の材料となる発光素子用半導体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トランジスタ，ＩＣ，ＬＳＩ等の材料となる半導体としては、次の理由によりシリコンが最も普及している。▲１▼．化合物ではないので組成が安定している。▲２▼．良質の酸化膜を容易に形成できる。▲３▼．地球上に豊富に存在する。▲４▼．融点が高いため製造上の高熱処理に十分に耐え得る。▲５▼．廃棄物として無害である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコンは、このような利点を持つにもかかわらず、典型的な間接遷移形半導体であるため、発光素子には用いられていない。そのため、発光素子用半導体としては、ガリウム砒素，ガリウムリン等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が専ら用いられている。
【０００４】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、さまざまな利点を有するシリコンを主体として発光素子を実現可能とする発光素子用半導体及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光素子用半導体は、イオン注入法により単結晶シリコンに導入されたエルビウムを発光中心として含む多孔質シリコンと、この多孔質シリコンの表面に水蒸気中での熱酸化によって形成されたシリコン酸化膜とを備えたものである。本発明に係る発光素子用半導体の製造方法は、本発明に係る発光素子用半導体を製造する方法であって、エルビウムをイオン注入法により単結晶シリコンに導入した後、この単結晶シリコンを陽極化成法により多孔質化し、この多孔質化したシリコンの表面に水蒸気中での熱酸化法によりシリコン酸化膜を形成するものである。
【０００６】
【作用】
シリコン酸化膜形成時に多孔質シリコン中に酸素が入り込み、この酸素がエルビウムとともに発光中心を形成することにより、発光すると考えられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る発光素子用半導体及びその製造方法の一実施形態を、以下に説明する。
【０００８】
本実施形態の発光素子用半導体は、図１の工程図に示すように、次の工程▲１▼〜▲６▼により製造した。まず、単結晶シリコンとして、ＣＺウェーハ，面方位（１１１） ，Ｐ型（ボロン含有），抵抗率２．０ 〜５．０ Ωｃｍ，厚さ５２５ μｍのシリコン基板を用意する。▲１▼．シリコン基板にエルビウムをイオン注入法により導入する。このとき、シリコン基板は室温に保たれ、エルビウムのイオンはドーズ量１×１０１３ｃｍ−２かつエネルギ２ＭｅＶ である。▲２▼．シリコン基板に対して、アニール温度９００ ℃，真空中で３０分のアニール処理を施す。▲３▼．シリコン基板の裏面に、アルミニウムを真空蒸着により被着させる。▲４▼．熱処理によりアルミニウムとシリコンとのオーミック接触を得る（アローイング処理）。▲５▼．シリコン基板の表面を、陽極化成法により多孔質化する。▲６▼．シリコン基板を窒素及び水蒸気の混合気体中で９００ ℃，３０分保持することにより、シリコン基板に熱酸化膜を形成する。
【０００９】
工程▲５▼について、図２に基づき詳しく説明する。テフロンビーカ１０内のエッチング液１２は、４８ｗｔ％のフッ酸（ＨＦ）をエチルアルコール（Ｃ２ Ｈ５ ＯＨ）によって５０％に希釈したものである。シリコン基板１４の裏面のオーミック接触層１６は、銀ペーストによって銅板１８に貼り付けられている。シリコン基板１４の表面１４ｓ以外の部分は、半導体用ワックス（アスファルトピッチ）２０によって覆われている。陽極化成は、シリコン基板１４をエッチング液１２に浸漬し、銅板１８を正極，プラチナ板２２を負極として、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２，時間１０分，かつ室内照明下の条件により行った。なお、室内照明の代わりにキセノンランプ等を用いてもよい。
【００１０】
工程▲１▼〜▲２▼により製造した試料を（ａ） 、工程▲１▼〜▲５▼により製造した試料を（ｂ） 、工程▲１▼〜▲６▼により製造した試料を（ｃ） とする。すなわち、試料（ａ） は、エルビウムをイオン注入したシリコン基板をアニール処理しただけのものである。試料（ｂ） は、陽極化成までを行ったものである。試料（ｃ） は、シリコン酸化膜の形成までを行ったものである。
【００１１】
これらの試料についてフォトルミネッセンス（ＰＬ）法により評価した結果を、図３及び図４に示す。フォトルミネッセンス法よる評価は、試料をクライオスタットに取付け、アルゴンイオンレーザの波長４８８ｎｍ の光により試料を励起し、試料から発するＰＬ光をダブルモノクロメータにより分光し、液体窒素で冷却したゲルマニウムｐ−ｉ−ｎ ダイオードでＰＬスペクトルを受光することにより行った。
【００１２】
図３は、試料を２０Ｋ に冷却した場合におけるＰＬ強度を各波長ごとに示したグラフである。図３から明らかなように、試料（ｃ） において、著しく高いＰＬ強度が認められ、１５３７．１ｎｍ，１５４８．５ｎｍ，１５５１．３ｎｍ，１５５５．７ｎｍ，１５６７．７ｎｍ，１５７４．９ｎｍ，１５９８．０ｎｍ及び１６４２．０ｎｍの計８本のピークが発生した。また、試料（ａ） 及び試料（ｂ） では、エルビウムが発光中心となりにくいことがわかる。
【００１３】
図４は、試料（ａ） 及び試料（ｃ） についてのＰＬ強度積分値の測定温度依存性を示すグラフである。ＰＬ強度積分値とは、ＰＬ強度を全波長に対して積分した値である。試料（ａ） 及び試料（ｃ） ともに、１８０Ｋでは２０Ｋに比べてＰＬ強度積分値がかなり低下した。しかし、試料（ｃ） は、１８０Ｋでも試料（ａ） よりもはるかに高いＰＬ強度積分値を示した。
【００１４】
なお、本発明は、いうまでもないが、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、エルビウムのイオンのドーズ量は、１×１０１３ｃｍ−２としたが、これに限られるわけではない。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係る発光素子用半導体及びその製造方法によれば、エルビウムを発光中心として含む多孔質シリコンと、この多孔質シリコンの表面に形成されたシリコン酸化膜とを備えたことにより、単結晶シリコンにエルビウムを含むものに比べて、ＰＬ強度を飛躍的に向上できる。したがって、さまざまな利点を有するシリコンを主体として、発光素子を実現できる。
【００１６】
また、Ｅｒ３＋の４ｆ殻の４Ｉ１３／２→４Ｉ１５／２による発光波長が石英系ファイバの最低損失波長１．５４μｍに一致するため、光通信用発光素子の材料として好適に用いることができる。
【００１７】
さらに、シリコンは高集積度のＬＳＩの材料として普及しているので、高集積度の光電子集積回路（ＯＥＩＣ）を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発光素子用半導体の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
【図２】図１の工程図における陽極化成を示す説明図である。
【図３】本発明に係る発光素子用半導体について評価した結果を示す、発光波長対ＰＬ強度のグラフである。
【図４】本発明に係る発光素子用半導体について評価した結果を示す、測定温度対ＰＬ強度積分値のグラフである。
【符号の説明】
１０ テフロンビーカ
１２ エッチング液
１４ シリコン基板
１６ オーミック接触層
１８ 銅板
２０ 半導体用ワックス（アスファルトピッチ）
２２ プラチナ板
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード，半導体レーザ等の発光素子の材料となる発光素子用半導体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トランジスタ，ＩＣ，ＬＳＩ等の材料となる半導体としては、次の理由によりシリコンが最も普及している。▲１▼．化合物ではないので組成が安定している。▲２▼．良質の酸化膜を容易に形成できる。▲３▼．地球上に豊富に存在する。▲４▼．融点が高いため製造上の高熱処理に十分に耐え得る。▲５▼．廃棄物として無害である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコンは、このような利点を持つにもかかわらず、典型的な間接遷移形半導体であるため、発光素子には用いられていない。そのため、発光素子用半導体としては、ガリウム砒素，ガリウムリン等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が専ら用いられている。
【０００４】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、さまざまな利点を有するシリコンを主体として発光素子を実現可能とする発光素子用半導体及びその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る発光素子用半導体は、イオン注入法により単結晶シリコンに導入されたエルビウムを発光中心として含む多孔質シリコンと、この多孔質シリコンの表面に水蒸気中での熱酸化によって形成されたシリコン酸化膜とを備えたものである。本発明に係る発光素子用半導体の製造方法は、本発明に係る発光素子用半導体を製造する方法であって、エルビウムをイオン注入法により単結晶シリコンに導入した後、この単結晶シリコンを陽極化成法により多孔質化し、この多孔質化したシリコンの表面に水蒸気中での熱酸化法によりシリコン酸化膜を形成するものである。
【０００６】
【作用】
シリコン酸化膜形成時に多孔質シリコン中に酸素が入り込み、この酸素がエルビウムとともに発光中心を形成することにより、発光すると考えられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る発光素子用半導体及びその製造方法の一実施形態を、以下に説明する。
【０００８】
本実施形態の発光素子用半導体は、図１の工程図に示すように、次の工程▲１▼〜▲６▼により製造した。まず、単結晶シリコンとして、ＣＺウェーハ，面方位（１１１） ，Ｐ型（ボロン含有），抵抗率２．０ 〜５．０ Ωｃｍ，厚さ５２５ μｍのシリコン基板を用意する。▲１▼．シリコン基板にエルビウムをイオン注入法により導入する。このとき、シリコン基板は室温に保たれ、エルビウムのイオンはドーズ量１×１０１３ｃｍ−２かつエネルギ２ＭｅＶ である。▲２▼．シリコン基板に対して、アニール温度９００ ℃，真空中で３０分のアニール処理を施す。▲３▼．シリコン基板の裏面に、アルミニウムを真空蒸着により被着させる。▲４▼．熱処理によりアルミニウムとシリコンとのオーミック接触を得る（アローイング処理）。▲５▼．シリコン基板の表面を、陽極化成法により多孔質化する。▲６▼．シリコン基板を窒素及び水蒸気の混合気体中で９００ ℃，３０分保持することにより、シリコン基板に熱酸化膜を形成する。
【０００９】
工程▲５▼について、図２に基づき詳しく説明する。テフロンビーカ１０内のエッチング液１２は、４８ｗｔ％のフッ酸（ＨＦ）をエチルアルコール（Ｃ２ Ｈ５ ＯＨ）によって５０％に希釈したものである。シリコン基板１４の裏面のオーミック接触層１６は、銀ペーストによって銅板１８に貼り付けられている。シリコン基板１４の表面１４ｓ以外の部分は、半導体用ワックス（アスファルトピッチ）２０によって覆われている。陽極化成は、シリコン基板１４をエッチング液１２に浸漬し、銅板１８を正極，プラチナ板２２を負極として、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２，時間１０分，かつ室内照明下の条件により行った。なお、室内照明の代わりにキセノンランプ等を用いてもよい。
【００１０】
工程▲１▼〜▲２▼により製造した試料を（ａ） 、工程▲１▼〜▲５▼により製造した試料を（ｂ） 、工程▲１▼〜▲６▼により製造した試料を（ｃ） とする。すなわち、試料（ａ） は、エルビウムをイオン注入したシリコン基板をアニール処理しただけのものである。試料（ｂ） は、陽極化成までを行ったものである。試料（ｃ） は、シリコン酸化膜の形成までを行ったものである。
【００１１】
これらの試料についてフォトルミネッセンス（ＰＬ）法により評価した結果を、図３及び図４に示す。フォトルミネッセンス法よる評価は、試料をクライオスタットに取付け、アルゴンイオンレーザの波長４８８ｎｍ の光により試料を励起し、試料から発するＰＬ光をダブルモノクロメータにより分光し、液体窒素で冷却したゲルマニウムｐ−ｉ−ｎ ダイオードでＰＬスペクトルを受光することにより行った。
【００１２】
図３は、試料を２０Ｋ に冷却した場合におけるＰＬ強度を各波長ごとに示したグラフである。図３から明らかなように、試料（ｃ） において、著しく高いＰＬ強度が認められ、１５３７．１ｎｍ，１５４８．５ｎｍ，１５５１．３ｎｍ，１５５５．７ｎｍ，１５６７．７ｎｍ，１５７４．９ｎｍ，１５９８．０ｎｍ及び１６４２．０ｎｍの計８本のピークが発生した。また、試料（ａ） 及び試料（ｂ） では、エルビウムが発光中心となりにくいことがわかる。
【００１３】
図４は、試料（ａ） 及び試料（ｃ） についてのＰＬ強度積分値の測定温度依存性を示すグラフである。ＰＬ強度積分値とは、ＰＬ強度を全波長に対して積分した値である。試料（ａ） 及び試料（ｃ） ともに、１８０Ｋでは２０Ｋに比べてＰＬ強度積分値がかなり低下した。しかし、試料（ｃ） は、１８０Ｋでも試料（ａ） よりもはるかに高いＰＬ強度積分値を示した。
【００１４】
なお、本発明は、いうまでもないが、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、エルビウムのイオンのドーズ量は、１×１０１３ｃｍ−２としたが、これに限られるわけではない。
【００１５】
【発明の効果】
本発明に係る発光素子用半導体及びその製造方法によれば、エルビウムを発光中心として含む多孔質シリコンと、この多孔質シリコンの表面に形成されたシリコン酸化膜とを備えたことにより、単結晶シリコンにエルビウムを含むものに比べて、ＰＬ強度を飛躍的に向上できる。したがって、さまざまな利点を有するシリコンを主体として、発光素子を実現できる。
【００１６】
また、Ｅｒ３＋の４ｆ殻の４Ｉ１３／２→４Ｉ１５／２による発光波長が石英系ファイバの最低損失波長１．５４μｍに一致するため、光通信用発光素子の材料として好適に用いることができる。
【００１７】
さらに、シリコンは高集積度のＬＳＩの材料として普及しているので、高集積度の光電子集積回路（ＯＥＩＣ）を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る発光素子用半導体の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
【図２】図１の工程図における陽極化成を示す説明図である。
【図３】本発明に係る発光素子用半導体について評価した結果を示す、発光波長対ＰＬ強度のグラフである。
【図４】本発明に係る発光素子用半導体について評価した結果を示す、測定温度対ＰＬ強度積分値のグラフである。
【符号の説明】
１０ テフロンビーカ
１２ エッチング液
１４ シリコン基板
１６ オーミック接触層
１８ 銅板
２０ 半導体用ワックス（アスファルトピッチ）
２２ プラチナ板
Claims (4)
- イオン注入法により単結晶シリコンに導入されたエルビウムを発光中心として含む多孔質シリコンと、この多孔質シリコンの表面に水蒸気中での熱酸化によって形成されたシリコン酸化膜と、
を備えた発光素子用半導体。 - イオン注入法により前記エルビウムが導入される前記単結晶シリコンの面方位が (111) である、
請求項１記載の発光素子用半導体。 - 前記シリコン酸化膜形成時に前記多孔質シリコン中に入り込んだ酸素が前記エルビウムとともに発光中心を形成した、
請求項１又は２記載の発光素子用半導体。 - エルビウムをイオン注入法により単結晶シリコンに導入した後、この単結晶シリコンを陽極化成法により多孔質化し、この多孔質化したシリコンの表面に水蒸気中での熱酸化法によりシリコン酸化膜を形成する、
請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子用半導体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20655495A JP3602212B2 (ja) | 1995-07-20 | 1995-07-20 | 発光素子用半導体及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20655495A JP3602212B2 (ja) | 1995-07-20 | 1995-07-20 | 発光素子用半導体及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0936416A JPH0936416A (ja) | 1997-02-07 |
| JP3602212B2 true JP3602212B2 (ja) | 2004-12-15 |
Family
ID=16525321
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20655495A Expired - Fee Related JP3602212B2 (ja) | 1995-07-20 | 1995-07-20 | 発光素子用半導体及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3602212B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001257368A (ja) * | 2000-03-09 | 2001-09-21 | Matsushita Research Institute Tokyo Inc | 光電子材料及び応用素子、並びに光電子材料の製造方法 |
| KR100411613B1 (ko) * | 2001-02-26 | 2003-12-18 | 한국표준과학연구원 | 광전자 소자용 실리콘 박막 구조체 및 그 제조방법 |
| KR100442062B1 (ko) * | 2002-01-29 | 2004-07-30 | 주식회사 럭스퍼트 | 광소자용 박막, 이를 이용한 광방출구조체 및 그 제조방법 |
-
1995
- 1995-07-20 JP JP20655495A patent/JP3602212B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0936416A (ja) | 1997-02-07 |
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